CN1332453C - 等离子体振动开关元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的等离子体振动开关元件包含:半导体基板(101);在该基板上形成的由Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体构成的第一阻挡层(103);在第一阻挡层上形成的由Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体构成的沟道层(104);在沟道层上形成的由Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体半导体构成的第二阻挡层(105);和在第二阻挡层上设置的源极电极(107)、栅极电极(109)以及漏极电极(108),第一阻挡层具有n型扩散层(103a),第二阻挡层具有p型扩散层(105a),沟道层的能带间隙比第一及第二阻挡层的能带间隙小,在第一阻挡层和沟道层之间境界的传导带上积聚二维电子气EG,另一方,在第二阻挡层和沟道层境界的价电子带上积聚二维空穴气HG,各电极经绝缘层(106)在第二阻挡层上形成。
Description
技术领域
本发明涉及半导体元件,尤其是涉及高频波段动作的等离子体振动开关元件。
背景技术
现有技术的半导体元件主要通过使元件构造微细化提高其动作速度,例如在高电子迁移率晶体体管通过利用二维分布的电子有效地防止杂质扩散,提高动作速度。可是,在上述那样的半导体元件由于在信号传递利用电荷(电子)的迁移,所以其迁移速度受材料的饱和速度限制。然而,对于缩短沟道行走时间也有限制,存在所谓高速动作困难的问题。从这样的状况出发,为了实现高速动作,要求元件构造更新的微细化,例如对于所报导的高达数百GHz的高速动作的元件的栅极电极形成,至少要求0.1μm以下的超微细加工技术。
对于这样的问题,以前提出在信号传递中伴随直接电荷移动的半导体元件。例如在M.Dyakonov-及M.Shur的文献1(Phys.Rev.lett.V71(1993),P.2465)及文献2(IEEE Trans.Elect.Dev.V43(1996),P.380)提出利用FET沟道内的高浓度电子流体的等离子体振动的元件。图7是文献1所示的FET元件的截面图。此外,在文献3(特开平8-139306号公报)利用由空穴和电子形成的双流体共存***或者重电子和轻电子形成的双流体共存***引起的双流体不稳定性现象的电磁波放大元件。图8是文献3所示的电磁波放大元件的立体图。
可是,尽管上述现有技术在理论上在高频波段的动作是可能的,但是在实际上动作范围受限制,信号输入输出是困难的,此外,由于存在构造复杂等问题,缺乏实用性。例如在文献1及文献2记载的元件构造,尽管在高频下的电磁波振荡,频率倍增,存在电磁波检测的可能性,然而,除了实验上检出初期的响应之外,并未确认正规的动作(动作)。作为阻碍实用化的主要因素之一可列举以下困难,即;在例如图7所示的文献1所示的FET元件,输入输出和元件内部的等离子体振动的耦合是困难的。
特开2000-294768号公报公开了可以抑制通过绝缘膜的漏电流的如下所示的半导体元件。在由兰宝石构成的基板上经分别由未掺杂AlGaN形成的缓冲层及基底层顺序地叠层由n型AlGaN形成的电子供给层及由n型GaN形成的电子行走层。而且,在该电子行走层之上经由AlN形成的绝缘膜设置栅极电极17。绝缘膜是在900℃以下的温度下生长的,通过多个柱状结晶构成。绝缘膜在栅极电极侧表面的各柱状结晶块间间隙的最大深度在膜厚的80%以下,平均深度在膜厚的35%以下,各柱状结晶块的平均直径成为40nm以下。
特开2000-252458号公报公开了可以抑制通过绝缘膜的漏电流的以下所示那样的半导体元件。通过在由兰宝石形成的基板上经由未掺杂AlGaN分别形成的缓冲层及衬底层顺序地叠层由n型AlGaN形成的电子供给层及由n型GaN形成的电子行走层。而且,在电子行走层上经绝缘膜设置栅极电极。绝缘膜具有从电子行走层侧顺序叠层由AlN形成的第一绝缘膜和由SiO2形成的第二绝缘膜的构造。通过设置第二绝缘膜,可以抑制只在第一绝缘膜上发生的漏电流。
特开平8-274346号公报公开了,得到使确保栅极电极耐压特性提高的双栅极FET,为了得到高性能放大电路及混频电路,使双栅FET电压控制时的固有部分电导在使用第一栅极电极时比在使用第二栅极电极时还大,漏极电极耐压在第二栅极电极时比第一栅极电极大,没有相互电导的劣化,提高元件耐压。
本发明是为了解决上述问题而作的,其目的是提供在高频区域可实现可靠动作的等离子体振动开关元件。
发明内容
本发明的等离子体开关元件是为了解决上述问题而作的,包含以下部件,即:基板;在上述基板上形成的由III-V族化合物半导体形成的第一阻挡层;在上述第一阻挡层上形成,由III-V族化合物半导体形成的沟道层;在上述沟道层上形成,由III-V族化合物半导体形成的第二阻挡层;和在上述第二阻挡层上设置的源极电极、栅极电极以及漏极电极;上述第一阻挡层具有n型扩散层以及p型扩散层的任一方,上述第二阻挡层具有这些扩散层的另一方,具有上述n型扩散层的阻挡层的传导带端能量(电子电势)比上述沟道层的传导带端的能量大,具有上述p型扩散层的阻挡层的价电子带端的能量比上述沟道层的价电子带端的能量小,在上述沟道层的与具有上述n型扩散的阻挡层的界面上蓄积二维电子气,而在上述沟道层的与具有上述p型扩散层的阻挡层的界面上蓄积二维空穴气,上述各电极与上述二维电子气及二维空穴气静电耦合,上述各扩散层从上述沟道层离开规定间隔而配置。
附图说明
图1是示出本发明等离子体振动开关元件实施方式1的截面图。
图2是示出图1的沟道层附近的能带构造图。
图3是示出本发明等离子体振动开关元件实施方式2的截面图。
图4是示出等离子体振动相位变化的图。
图5是示出本发明等离子体振动开关元件实施方式2另一例的截面图。
图6是用本发明等离子体振动开关元件的高频调制装置。
图7是示出文献1所示的现有技术的FET元件的截面图。
图8是示出文献3所示的现有技术的电磁波放大元件的立体图。
具体实施方式
(实施方式1)
以下,边参照附图,边对本发明等离子体振动开关元件的实施方式1加以说明。图1是本实施方式的等离子体振动开关元件的截面图。
如图1所示,该开关元件包含由添加Fe的半绝缘性InP形成的半导体基板101和在该半导体基板101上形成的半导体叠层体S。半导体叠层体S通过与半导体基板101晶格匹配的组成形成,是顺序地叠层由外延生长形成的无添加InP层102、由InAlAs形成的第一阻挡层103、由无添加GaInNAs形成的沟道层104以及由InAlAs形成的第二阻挡层。在这里,InP层102是与半导体基板101大体相同宽度(图1左右方向长度)地形成,在其以上的层,以比InP层102还狭窄的宽度以台式(mesa)状形成。第一阻挡层103其大部分是无添加的,而在与沟道层104的界面附近形成了δ掺杂(delta dope)n型杂质的第一扩散层103a。同样地,第二阻挡层105其大部分也是无添加的,然而在与沟道层104的界面附近形成δ掺杂p型杂质的第二扩散层105a。
这些第一及第二扩散层103a、105a内的杂质浓度都为1×1012~1×1013cm-2。第一及第二扩散层103a、105a和沟道层104以预定间隔配置。即,在各扩散层103a、105a和沟道层104之间配置阻挡层的一部分无添加区域103b、105b。这时在各扩散层103a、105a和沟道层104之间,即:上述无添加区域103b、105b的层厚优选例如在10nm以上100nm以下。通过这样以预定间隔配置,可以防止后述的二维电子气或二维空穴气的振动因受扩散层103a、105a的影响而产生扰乱。
半导体基板101的下面形成由金属构成的共用电极111,该电极111接地。另一方面,在半导体层叠体S的上面,即第二阻挡层105上形成由SiO2构成的绝缘层106,在其上面形成3个电极。即,在绝缘层106中央形成栅极电极109,夹持它而在绝缘层106两侧形成源极电极107及漏极电极108。这样一来,在本实施方式的开关元件上,与通常的高电子迁移率晶体管不同,源极电极107及漏极电极108都是相对沟道层不作电欧姆接触。绝缘层106也可以由SiN形成,此外,其膜厚也不因器件特性而改变,然而,优选例如在20nm以上100nm以下。此外,半导体叠层体S上的InP层102的上面,以及台面状形成的部分的侧面上形成由SiO2构成的保护绝缘层110,据此,使半导体叠层体S与周围绝缘。
图2是该开关元件的沟道层附近的能带构造。如同图所示,沟道层104的能带间隙比第一阻挡层103及第二阻挡层105的小,据此形成能带偏移(offset)。而且,在第一及第二阻挡层103、105和沟道层104各自的境界上积聚由第一及第二扩散层103a、105a供给的电荷,形成二维分布。即,由于在第一扩散层103a上添加n型杂质,所以这部分的电子积聚于在第一阻挡层103和沟道层104的境界处被偏移的传导带Ec、形成二维电子气(称为“二维电子流体”)EG。另一方面,由于在第二扩散层105a上添加p型杂质,所以这部分的空穴积聚于在第二阻挡层105和沟道层104的境界上被偏移的价电子带Ev、形成二维空穴气(称为“二维空穴流体”)HG。二维电子气EG及空穴气HG的电荷密度大体与杂质的添加密度对应,都在1×1012~1×1013cm-2。
在图2,费米能级EF是电子的化学势,是电子分布函数成为0.5的能量。在传导带Ec中在费米能级EF之下,在价电子带Ev中在费米能级EF之上分别存在高浓度电子(EG)及空穴(HG)。
其次,对这样构成的开关元件的动作加以说明。首先,在源极电极107上加10GHz以上1000GHz以下频率的信号。这时,由于在二维电子气EG及二维空穴气HG内积聚高浓度电荷,所以一旦加上高频信号,则因为二维电气EG及二维空穴气HG与源极电极107静电耦合,所以这些二维电子气EG及空穴气HG分别产生等离子体振动。在这里,在本实施方式的开关元件上由于二维电子气EG及二维空穴气HG平行地接近,所以两者的等离子体振动容易耦合,在稳定地耦合的状态加以传播。因为在沟道层104不产生超过等离子体振动的相位速度那样的电荷移动,所以不产生双流体不稳定现象。因为漏极电极108与二维电子气EG及二维空穴气HG静电耦合,所以如上述所示,从源极电极107侧传播的等离子体振动从漏极电极108输出。
这时,如果在栅极电极109上加电压则栅极电极109下方的电荷密度变化。尤其是,如果在栅极电极109上加负电压,则使电子、空穴的电荷密度也减少,不久在栅极电极下方的积聚电荷量成为零。据此,沟道层104的二维电子气EG及空穴气HG在栅极电极109左右分开,所以从源极电极109传播的等离子体振动不能达到漏极电极108。因而,这样一来,由于通过改变加在栅极电极109上的电压可以使栅极电极109正下方的等离子体振动的传播效率改变,所以可以使本元件作为强度调制高频振动的调制元件发挥功能。此外,通过改变栅电压,利用等离子体振动的传播速度变化的相位调制也是可以的。优选在栅极电极109上输入直流电压或具有施加在源极电极109上的信号频率的约1/10~1/1000左右的频率的信号。
如以上所示,根据本实施方式,通过具有添加有杂质的扩散层103a、105a的阻挡层103、105夹持能带间隙窄的沟道层104,在能带偏移部分上形成二维电子气EG及二维空穴气HG。而且,在与这些电子气EG及空穴气HG静电耦合的源极电极109上加高频信号。据此,在电子气EG及空穴气HG各自产生等离子体振动,通过这些振动耦合而传播,可传播高频信号。这样,由于在本实施方式的开关元件不伴随电荷迁移而使用耦合的等离子体振动来进行信号的传递,可不受电子或空穴的饱和速度的限制,进行高频信号的传递。
由于利用现有技术的等离子体振动的半导体元件难以使从外界的电磁场或电路来的信号与等离子体振动耦合,因此必须有特殊的结构、耦合用天线。作为产生这样的问题的原因之一,可以列举由于等离子体振动是由电荷疏密产生的纵波,在与二维电子气或空穴气垂直的方向,产生的电场强度小,因此,使外部信号与等离子体振动之间耦合是困难的。与此相反,在本实施方式的构成,由于二维电子气和空穴气之间耦合,所以与现有技术例比较,可得到大的纵向电场。因此,在电子密度高的区域,空穴密度也变高,结果使半导体叠层体S上面的电位变低。如果因此改变半导体叠层体S上面的电位,则可以改变沟道层104的电荷密度。因而,由于元件上部设置的源极电极107及漏极电极108的电位在高频区与沟道层104的等离子体振动耦合,所以如果在源极电极107上加高频信号,则输入信号可以作为等离子体振动在沟道层104传播,可从漏极电极108输出。
在上述说明中,在同一绝缘层106上形成各电极107~109,然而并不限于此,也可以通过形成各电极部分改变绝缘层膜厚或组成。例如在进行高频信号输入输出的源极电极107及漏极电极108的下方,为了有效地实现信号的输入输出,优选使绝缘层106的膜厚作薄。另一方面,由于在栅极电极109输入较低频率的信号,所以可以使绝缘层106比源极电极107下方的绝缘层厚。此外,除了各电极107~109如上述所示经绝缘层106在第二阻挡层105上形成以外,可以在与第二阻挡层105之间形成肖特基结(Schottky junction)地连接。对于这些变更在后述实施方式2也是可适用的。
构成阻挡层103、105以及沟道层104的材料不限于上述说明的。即,只要由III-V族化合物半导体构成即可,不仅用二元系材料,也可以用三元、四元或五元混晶材料。如果沟道层104含有In,由于可以使能带间隙变狭,所以优选。
可是,在本实施方式,在沟道层104使用含有N的GaInNAs,通过这样含有N,可以得到如下所示的效果。通常电子的有效质量比空穴(正孔)的有效质量小许多,因此,电子的迁移率比空穴的迁移率大很多。在这里,信号频率变高,在信号波长相对源·漏间距离而短的情况下,如果如上述所示,电子及空穴的迁移率相差很大,则有可能在传播中等离子体振动相位错移,耦合解除,与此相反,如果如上所述添加N,则可以增大电子的有效质量,由此可以使电子迁移率减慢。由于其结果使两者的迁移率之差变小,所以可以防止等离子体振动的耦合的解除,可以进行稳定的信号传递。作为其一例,示出在GaAs内添加N时的电子有效质量。在以下的表示出GaNxAs1-x中的x值,即示出改变N组成率时的电子有效质量。这样,如果增加N的组成率,由于电子的有效质量变大,优选。作为V族元素的N的导入虽然对传导带给予很大影响,然而对价电子带的影响比其小,所以空穴的有效质量(约0.62)没有太大变化。
N的组成率(x) | 电子的有效质量 |
0 | 0.067 |
0.01 | 0.11 |
0.02 | 0.2 |
可是,在III-V族化合物半导体基板上生长的半导体混晶内,N的添加界限约为0.1。这时为了保持良好的结晶性,约0.07是上限。丛此观点出发,在构成沟道层104的III-V族化合物半导体中含有N、As,N的组成率,即表示为NxAs1-x的情况中的x值优选在0以上0.1以下,更优选在0.01以上0.07以下,特别优选在0.02以上0.05以下。在这里所谓的有效质量指的是相对于真空中的电子重量的相对重量。
在本实施方式,构成沟道层104的半导体混晶是Ga(0.2)In(0.8)N(0.04)As(0.96)。尤其是,作为InP基板上的沟道层的组成优选作成Ga(y)In(1-y)N(x)As(1-x)混晶,在y=0.47-6.7x±0.26以内,而且x通过使用作为上述范围的组成范围,可得到高品质的半导体膜。
作为在GaAs基板上沟道层的组成,优选作成Ga(y)In(1-y)N(x)As(1-x)混晶,在y=1-2.9x±0.12以内,而且x通过使用作为上述范围的组成范围,可得到高品质的半导体膜。
(实施方式2)
其次,边参照附图,边对本发明的实施方式2加以说明。图3是本实施方式的等离子体振动开关元件的截面图。本实施方式的等离子体振动开关元件与实施方式1不同之点在于电极的构成,因为基板、叠层体的构成是与实施方式1相同,附同一符号,省略其说明。
如图3所示,在本实施方式,在第二阻挡层105的上面形成绝缘层106和夹持该绝缘层106地在阻挡层105两侧配置的一对接触层112。在绝缘层106的上面上形成与实施方式1说明的同一构成的第一源极电极107、栅极电极109以及第一漏极电极108。在与第一源极电极107邻接的接触层112上形成第二源极电极113,在与第一漏极电极108邻接的接触层112上形成第二漏极电极114。接触层112可以通过例如高浓度添加有p型杂质的InGaAs形成,据此,第二源极电极113及漏极电极114对第二阻挡层105及二维空穴气HG作成欧姆接触。
其次,对如上述所示构成的开关元件的动作加以说明。与在实施方式1说明的同样地,高频信号输入到第一源极电极107,在栅极电极109上加直流电压或者较低频信号。据此,在二维电子气EG及二维空穴气HG产生等离子体振动。与这些振动耦合,使高频信号从源极电极107侧传播到漏极电极108侧。另一方面,在第二源极电极113及漏极电极114间加直流电压。在这里,因为第二源极电极113及漏极电极114经接触层112与第二阻挡层105连接,在二维空穴气HG内作成欧姆性接触。因而,如果例如使第二漏极电极114为正地加电压,则在二维空穴气HG内空穴应当从第二漏极电极114侧迁移到第二源极电极113侧。另一方面,二维电子气EG内的电子不迁移。
如果空穴这样迁移,则通过多普勒效应,使等离子体振动波长改变。即,如图4所示,由于在二维空穴气HG,空穴向与振动的传播方向相反方向流动,所以振动的波长变短。另一方面,二维电子气EG的等离子体振动的波长不改变。这样一来,各气体产生的等离子体振动的相位随着信号的传播出现偏移,在该偏移量与波长一致时,(例如线K上),两振动再耦合。如果根据图4作详细说明,二维电子气EG的等离子体振动的1波长和空穴的振动n波长(n是2以上的自然数,在图4,n=2)一致,则两振动再耦合。据此,在漏极电极108,有选择地只强调输出与源·漏间的相位变化量一致的波长的频率信号。而且,除此以外的信号被等离子体振动的相位偏移所压制。
如以上所示,根据本实施方式,在夹持第一源极电极107及漏极电极108的位置上设置加直流电压的第二源极电极113及漏极电极114。而且,由于通过流过该电极间的直流电流,可以分别改变各等离子体振动波长,所以可以只取出与相位变化量一致的波长的频率信号。即,本实施方式的等离子体振动开关元件可作为取出任意频率信号的滤波器发挥功能。这时,因为相位偏移量通过第二源极电极113及漏极电极114间的电流量而变化,所以可取出任意频率的信号。这样,为了以本元件作为滤波器发挥功能,可以省略栅极电极109,据此使构造变简单,制造容易。
可是,在图3,第二源·漏电极113、114经第二阻挡层105与二维空穴气HG实现欧姆性接触。在台面状的斜面上也扩张设置第二源·漏电极113、114,或者在台面的下部露出第一阻挡层103的一部分,在那里也可以扩张设置第二源·漏电极113、114。由此的制造过程变得若干复杂,然而可能使第二源·漏电极113、114,不仅与二维空穴气HG,而且经第一阻挡层103与二维电子气EG实现欧姆性接触。这种情况下,如果第二源·漏电极113、114之间流过电流,则在二维电子气EG及二维空穴气HG双方,电子和空穴分别迁移。这时因为通过电子和空穴的迁移方向相逆,产生相位偏移,所以可得与上述实施方式同样的效果。
此外,如图5所示,在台面的下部露出第一阻挡层103的一部分,在那里经第一阻挡层103也可以使与二维电子气EG欧姆性接触的第三源极电极115及第三漏极电极116与第二源·漏电极113、114独立设置。由此制造过程变得更加复杂,然而可以用第二源·漏电极113、114和第三源·漏电极115、116分别独立地控制二维空穴气HG的空穴迁移量和二维电子气EG内的电子迁移量。
在上述开关元件,使第二源·漏电极113、114的任一方接地或与电源电压连接,也使AC短路,对另一方电极加以控制,使电流变为一定,使AC开路,可进行信号放大及振荡动作。在这里也与上述所示,可以用将第三源·漏电极115、116与第二源·漏电极113、114独立而设置的元件。在这种情况下,因为通过在第二源·漏电极113、114和第三源·漏电极之间相互流过相反方向电流,可以使电子和空穴的迁移方向一致,在双方得到增益,所以是特别希望的。
以下,更加详细地说明由上述开关元件产生的信号的放大及振荡动作。正如M.Dyakonov及M.Shur指出,第二(及第三)的源·漏电极113、114对等离子体振动形成2个境界,AC短路电极对等离子体振动成为固定端,AC开路电极成为自由端。在元件内,可以建立与电子气(或空穴气)的扩展尺寸对应的等离子体振动的驻波,可以对于对应的频率的电信号(或电磁波)谐振。谐振频率与等离子体振动的传播速度有依存关系,因为这由电荷密度决定,所以通过改变栅极电压而可调制。
在该元件内,以电子(或空穴)从固定端向自由端方向迁移而且其速度不超过等离子体振动传播速度的范围地流过电流。这样一来,对于从固定端向着自由端行进的行波看起来自由端境界在接近。其结果,自由端的反射率成为绝对值超过1的复值。此外对于逆方向的行波(在自由端的反射波)固定端看起来在后退,因为电子(或空穴)的速度比行波的传播速度慢,所以一直追赶,再次反射。其结果,行波在左右境界之间可以多重反射,而且,在自由端的每次反射其振幅放大。如果改变看法,通过成为介质的电子(或空穴)的迁移,谐振频率固有值的虚数成分变正,出现随着时间振幅增大的不稳定模式。根据行波在谐振器内叠加反射而使振幅放大,而决定其上限的元件增益受限于在各境界的反射损耗或在谐振器内的相位散乱·能量散乱等,而为有限值。
然而,例如以第二(及第三)源极电极113作为固定端,以第二源极电极114作为自由端的同时,电子(或空穴)从第二源极电极113侧向第二漏极电极114侧迁移地流过直流电流,此外,通过把具有合适频率的电信号导入第一源极电极107,从第一漏极电极108输出放大了的信号。即,作为放大装置动作。此外,通过把输出信号的一部分反馈到输入侧,也可作为振荡装置动作。通过改变栅极电压也可以调制谐振(放大·振荡)的频率。
即使在这样的放大·振荡动作,通过用相互耦合的二维电子气EG及二维空穴气而在与其耦合的第一源极电极107和漏极电极108上进行高频信号输出输入的构成,此外,用独立的第二源·漏电极113、114(及第三源·漏电极)供给直流电流的构成,可以更加容易地在输出输入信号和等离子体振动之间进行耦合。
(实施方式3)
其次,边参照附图,边对本发明的实施方式3加以说明。本实施方式是有实施方式1的等离子体振动开关元件的高频调制装置。图6是本实施方式的高频调制装置的概略构成图。
如图6所示,该高频调制装置包含实施方式1所示的等离子体振动开关元件10、输入匹配电路20、和高频信号发生装置30。在输入匹配电路20上设置输入调制信号的输入部41的同时,在开关元件10的漏极电极108上设置输出部42。在开关元件10的栅极电极109上连接上述输入匹配电路20的同时,在源极电极107连接高频发生装置30。
如以上所示构成的装置如下所示动作。即,由高频信号发生装置30产生的1000GHz左右的高频信号Sa输入开关元件10。在从输入部41输入的调制信号Sb在输入匹配电路20进行阻抗匹配,输入到开关元件10的栅极电极109。在这里,在开关元件10,如实施方式1说明的,在从源极电极107向漏极电极109传播高频波段信号的同时,通过栅极电压控制该信号。因而,如上述所示,输入到源极电极107的高频信号Sa通过输入栅极电极109的调制信号Sb而被调制,从漏极电极108输出。
如以上所示,根据本实施方式,通过使用在实施方式1用的等离子体振动开关元件,可以以简单的构成实现在高频区域动作的调制装置。在这里,如果在输出部42上连接天线,则可以把调制了的高频信号Sc作为输出电磁波向外部发射。因而,可将本装置用作使用高频区域电磁波的发射机。在开关元件10和天线之间还设置阻抗匹配装置,在上部输入部41或输出部42上也可以设置放大装置。在本实施方式,使用实施方式1的等离子体振动开关元件,然而,不用说也可以使用实施方式2的等离子体开关元件。
以上,对本发明的实施方式加以说明,然而,本发明并不限于上述各实施方式,只要不脱离其要点可作各种变更。例如,等离子体振动开关元件的基板101也可以由InP以外的材料形成,例如可以通过半绝缘性的III-V族化合物半导体形成。或者由Al2O3等的绝缘性基板形成。这样一来,如果用半绝缘性或绝缘性基板,则因为降低了开关元件的静电容量,所以可以提高高频特性。此外,也存在所谓在形成多个开关元件之际容易形成各元件的绝缘的有利之处。
在上述各实施方式,在第一阻挡层103上形成n型扩散层103a,在第二阻挡层105上形成p型扩散层105a,也可以与其相反。即,也可以在第一阻挡层103上形成p型扩散层,在第二阻挡层105上形成n型扩散层。此外,在上述各实施方式,如图2所示,以使沟道层104的能带间隙比第一及第二阻挡层103、105的能带间隙还小的方式选择形成各层的材料,然而并不限于此。即,用于积聚二维电子气EG及空穴气HG的偏移部分也可以在各阻挡层103、105和沟道层104的境界上形成,具体讲,只要具有n型扩散层的阻挡层的传导带端的能量(对电子的势能)比沟道层的传导带端的能量大,具有p型扩散层的阻挡层的价电子带端的能量比沟道层的价电子端的能量小即可。这时形成的能带偏移优选在0.1eV以上1.0eV以下。
在上述实施方式,通过δ掺杂,在各阻挡层103、105形成添加有杂质的扩散层,然而也可以如下所示进行。例如也可以在各阻挡层103、105中,在沟道层104与扩散层103a、105a之间形成具有预定厚度的无添加区域103b、105b,在阻挡层103、105的其以外部分全部添加杂质。或者,也可以在阻挡层103、105全部添加杂质。通过这样作,使制造变得容易。可是,如实施方式1说明的那样,为了有效地产生等离子体振动,优选在沟道层104和扩散层103a、105a之间设置预定间隔的无添加层103b、105b。
在上述各实施方式,使接地的共用电极111设置在基板101的下面,然而设置共用电极的位置不限于这部分,也可以设置在基板101和第一阻挡层103之间的区域102。也可以在基板101上添加杂质,其上设置共用电极。此外,也可以设置与二维电子气或空穴气至少一方欧姆性接触的电极,以此作为共用电极。可是,这样独立的共用电极也不一定是必要的,也可以用栅极电极109作为共用电极使用。然而,从信号输入的高效率化或电路简易化的观点出发,优选设置上述所示的共用电极。
工业上利用的可能性
根据本发明,提供在高频区域可实现可靠动作的等离子体振动开关元件。
Claims (14)
1、一种等离子体振动开关元件,其特征在于,具有:
基板;
在所述基板上形成、由III-V族化合物半导体构成的第一阻挡层;
在所述第一阻挡层上形成,由III-V族化合物半导体构成的沟道层;
在所述沟道层上形成,由III-V族化合物半导体构成的第二阻挡层;和
在所述第二阻挡层上设置的源极电极、栅极电极以及漏极电极,
所述第一阻挡层具有n型扩散层及p型扩散层的任意一方,所述第二阻挡层具有这些扩散层的另一方,
具有所述n型扩散层的阻挡层的传导带端能量比所述沟道层的传导带端的能量大,具有所述p型扩散层的阻挡层的价电子带端的能量比所述沟道层的价电子带端的能量小,
在所述沟道层的与具有所述n型扩散层的阻挡层的境界上积聚二维电子气,另一方面,在所述沟道层的与具有所述p型扩散层的阻挡层的境界上积聚二维空穴气,
所述源极电极、所述栅极电极以及所述漏极电极分别与所述二维电子气及二维空穴气静电耦合,
所述各扩散层从所述沟道层离开规定间隔而配置。
2、根据权利要求1所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
通过在所述源极电极上加高频信号,在所述二维电子气及二维空穴气产生等离子体振动,这些等离子体振动耦合,传播到所述漏极电极侧。
3、根据权利要求1所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,具有所述n型扩散层的阻挡层的传导带端能量和所述沟道层传导带端能量之差以及具有所述p型扩散层的阻挡层的价电子带端的能量和所述沟道层的价电子带端能量之差为0.1eV以上1.0eV以下。
4、根据权利要求1所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
所述沟道层的能带间隙比所述第一阻挡层及第二阻挡层的能带间隙小。
5、根据权利要求1所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
所述沟道层含有N。
6、根据权利要求5所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
所述沟道层含有NxAs1-x,N的组成率x在0以上0.1以下。
7、根据权利要求5所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
所述沟道层含有NxAs1-x,N的组成率x在0.01以上0.07以下。
8、根据权利要求1所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
所述各扩散层在离开所述沟道层10nm以上100nm以下的间隔配置。
9、根据权利要求1所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
所述基板包含接地的共用电极。
10、根据权利要求1所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
在所述源极电极上加10GHz以上1000GHz以下的高频信号,
在所述栅极电极上加直流电压,或者频率为所述源极电极上所加信号的频率的0.1%以上10%以下的频率信号。
11、根据权利要求1所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
所述源极电极、所述栅极电极以及所述漏极电极分别经绝缘层,在所述第二阻挡层上形成。
12、根据权利要求1所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
所述源极电极、所述栅极电极以及所述漏极电极和所述第二阻挡层分别形成有肖特基结。
13、根据权利要求1所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
在夹持所述源极电极、所述栅极电极以及所述漏极电极的任一电极的位置,形成有与所述二维电子气及二维空穴气的任一方或双方作欧姆性接触的第二源极电极及第二漏极电极。
14、根据权利要求13所述的等离子体振动开关元件,其特征在于,
在所述第二源极电极和第二漏极电极之间加直流电压。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070815 Termination date: 20130930 |